(57)【要約】燃料電池システム（２００）は、アノードおよびカソードを有する燃料電池（１０２）、アノードからの排気から水を再利用するように構成された水回収システム（１１４）、カソードからの排気と水回収システム（１１４）からの水との間で熱を伝達するように構成された熱交換器（１２２）、および、燃料および蒸気が下側セクション（２０９）から上側セクション（２１０）へ通過することが可能であるように構成された開口部（２１１ａ）を画定する仕切り（２１１）によって分離された上側セクション（２１０）および下側セクション（２０９）を有する飽和器（２０８）を含む。下側セクション（２０９）は、燃料源（１０３）からの燃料および水回収ユニット（１１４）からの水を受け取り、上側セクション（２１０）は、下側セクション（２０９）からの燃料および熱交換器（１２２）からの水を受け取る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム用の飽和器であって、
燃料源から燃料を受け取るように構成された下部および水回収ユニットから水を受け取るように構成された上部を画定する下側セクションと、
熱交換器から水を受け取るように構成された上部および前記下側セクションから燃料を受け取るように構成された下部を画定する上側セクションと、
燃料および蒸気が前記下側セクションから前記上側セクションへ通過することが可能であるように構成された開口部を画定する、前記上側セクションと前記下側セクションとを分離する仕切りと
を備える飽和器。
【請求項２】
前記仕切りは、
前記開口部から上方へ伸長する少なくとも１つの壁と、
前記開口部の上に配置された蓋と、
前記蓋と前記少なくとも１つの壁との間に画定された出口と
を更に備える、請求項１に記載の飽和器。
【請求項３】
前記上側セクションは、前記上側セクションの前記下部から未蒸発水を出力するように構成され、
前記熱交換器は、前記上側セクションおよび前記水回収ユニットの少なくとも１つから水を受け取るように構成される、請求項１に記載の飽和器。
【請求項４】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記アノードからの排気から水を再利用するように構成された水回収システムと、
前記カソードからの排気と前記水回収ユニットからの水との間で熱を伝達するように構成された熱交換器と、
請求項１〜３のいずれかに係る飽和器と
を備える燃料電池システム。
【請求項５】
前記下側セクションは、前記燃料源からの前記燃料を少なくとも部分的に加湿するように構成される、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記仕切りは、
前記開口部から上方へ伸長する少なくとも１つの壁と、
前記開口部の上に配置された蓋と、
前記蓋と前記少なくとも１つの壁との間に画定された出口と
を更に備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水回収システムは、前記アノードからの前記排気から水を凝縮し分離するように構成された直接接触冷却塔を更に備え、
前記直接接触冷却塔内の前記水のほぼ全てが、前記飽和器へ出力される、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水回収システムは、前記下側セクションから未蒸発水を受け取るように構成される、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記熱交換器は、前記カソードからの前記排気と前記上側セクションから出力された未蒸発水との間で熱を伝達するように構成される、請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の飽和器において燃料電池システム用の燃料を飽和させる方法であって、
水回収ユニットから水の第１および第２の部分を提供することと、
前記飽和器の前記下側セクションにおいて、燃料および前記水の第１の部分を受け取ることと、
前記下側セクションから、一部加湿燃料を出力することと、
排熱交換器において、前記水の第２の部分を加熱することと、
前記飽和器の前記上側セクションにおいて、前記水の第２の部分および前記一部加湿燃料を受け取ることと、
前記上側セクションから、更に加湿された燃料を出力することと
を備える方法。
【請求項１１】
前記下側セクションの前記下部において受け取られた前記燃料は、前記水の第１の部分によって加湿され、前記一部加湿燃料が生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記上側セクションから未蒸発水を出力することと、
前記排熱交換器において前記未蒸発水を加熱することと
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
ブローダウンストリームによって、前記上側セクションからの前記未蒸発水の少なくとも一部を除去することを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記下側セクションから未蒸発水を出力することと、
前記水回収ユニットにおいて前記未蒸発水を受け取ることと
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記水回収ユニット内の前記水のほぼ全てが、前記飽和器において受け取られる、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全体が参照によって本願に組み込まれる、２０１６年８月３１日に出願された米国特許出願第１５／２５２，３３８号に対する優先権およびその利益を主張するものである。
【０００２】
本出願は、一般に燃料電池システム（たとえば溶融炭酸塩形または他の高運転温度の燃料電池システム）に関し、より具体的には、そのような燃料電池システムにおいて使用するための熱回収システムの分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池へ供給される反応ガス、特にそのような燃料電池のアノードへ供給される反応燃料ガスは、適切かつ効率の良い燃料電池の運転のために燃料における所望の蒸気対炭素比を維持し、反応ガスの十分なイオン伝導率を提供し、燃料電池における炭素堆積（すなわちすすの発生）を防ぐために、十分に加湿される（すなわち十分な水分を含む）必要がある。加湿のために使用される水は通常、所望の温度まで予熱され、そのためにエネルギが必要である。
【０００４】
燃料電池に入力される反応燃料ガスを加湿するための加熱水をより効率的に利用する、改善された燃料電池システムを提供することが有利である。また、燃料電池システムの様々な構成要素によって生成された排熱を利用することも有利である。本開示を閲読することによって理解されるように、これらの利点および他の利点は、本明細書に開示される典型的な実施形態を用いて得られ得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
典型的な実施形態は、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、アノードからの排気から水を再利用するように構成された水回収システムと、カソードからの排気と水回収ユニットからの水との間で熱を伝達するように構成された熱交換器と、燃料および蒸気が下側セクションから上側セクションへ通過することが可能であるように構成された開口部を画定する仕切りによって分離された上側セクションおよび下側セクションを有する飽和器とを含む燃料電池システムに関する。下側セクションは、燃料源からの燃料および水回収ユニットからの水を受け取り、上側セクションは、下側セクションからの燃料および熱交換器からの水を受け取る。
【０００６】
他の典型的な実施形態は、燃料電池システム用の飽和器に関し、飽和器は、燃料源から燃料を受け取るように構成された下部および水回収ユニットから水を受け取るように構成された上部を画定する下側セクションを含む。飽和器は更に、熱交換器から水を受け取るように構成された上部および下側セクションから燃料を受け取るように構成された下部を画定する上側セクションを含む。飽和器は更に、上側セクションと下側セクションとを分離する仕切りを含み、仕切りは、燃料および蒸気が下側セクションから上側セクションへ通過することが可能であるように構成された開口部を画定する。
【０００７】
他の典型的な実施形態は、燃料電池システム用の燃料を飽和させる方法に関し、方法は、水回収ユニットから水の第１および第２の部分を提供することと、飽和器の下側セクションにおいて燃料および水の第１の部分を受け取ることと、下側セクションから一部加湿燃料を出力することとを含む。方法は更に、排熱交換器において水の第２の部分を加熱することと、飽和器の上側セクションにおいて水の第２の部分および一部加湿燃料を受け取ることと、上側セクションから十分に加湿された燃料を出力することとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】１段式飽和器を有する直接形燃料電池システムの模式図を示す。
【図２】２段階飽和器を有する改善された直接形燃料電池システムの模式図を示す。
【図３】典型的な実施形態に係る、図２の直接形燃料電池システムの簡略模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
典型的な実施形態によると、直接接触冷却塔（「ＤＣＣＴ」）から直接回収された低レベルの熱を利用する燃料電池システムが本明細書に開示される。燃料電池に入力される反応ガスを加湿するための加熱水を供給するように構成された飽和器は、２つのセクションに分割されてよく、下側セクションにおいて、システムへの燃料は、ＤＣＣＴからの熱を用いて部分的に飽和される。ＤＣＣＴ底部からの高温水は、飽和器の底部へ送られる。飽和器の下側セクションからの一部飽和燃料は、その後、上側セクションにおいて所望のレベルまで十分に飽和される。より高温の水はその後、システムのカソード排気からの熱を用いて予熱された後、上側セクションへ供給される。飽和器の下側セクションにおいてガスを予飽和することによって、カソード排気水熱交換器において必要な熱が少なくなり、熱を他の目的に使用することが可能になる（たとえば、補助燃料の使用が低減される）。
【００１０】
この構成は、燃料電池システムの他の構成要素によって生じた排熱を他の目的に使用することを可能にするので、水回収を含む全ての直接形燃料電池（「ＤＦＣ」）に適用可能である。たとえばこれは、システムから水素、合成ガス、または高圧蒸気を排出する設計において、またはデュアルスタック高効率燃料電池システムにおいて特に有用であり、これらの各々は一般に、アノード排気の大部分が排出され、アノードガス酸化器（「ＡＧＯ」）１１８において生成される熱量が低減されるため、追加の熱の付与を必要とし得る。
【００１１】
図１は、第１の典型的な実施形態に係る燃料電池システム１００を示し、図２は、本出願の主題である有利な熱回収システムを含む改善された燃料電池システムを示す。図１は、燃料電池システム全体の構成および動作の説明を提供するために以下で説明され、次に、図２に示す改善されたバージョンが論述される。
【００１２】
燃料電池システム１００は、燃料供給源１０３から燃料を受け取り、アノード排気を出力するように構成されたアノード側１０４を含む燃料電池スタック（すなわち燃料電池）１０２を含む。燃料電池スタック１０２はまた、酸化剤ガスを受け取り、カソード排気を出力するように構成されたカソード側１０６も含む。燃料電池システム１００は更に、水回収ユニット１１４からの水を用いて、燃料供給源１０３からの燃料を加熱および加湿するための飽和器１０８を含む。炭化水素含有燃料（たとえば天然ガス、プロパンなど）が燃料供給源１０３から供給される。燃料は、燃料に存在する含硫黄化合物を除去するための脱硫器１１２において処理される。脱硫器１１２は、燃料内の含硫黄化合物をすべて吸着または吸収する１または複数の硫黄吸着剤または硫黄吸収剤のベッドを含み、燃料はこれを通って流れる。
【００１３】
脱硫器１１２を通過した後、燃料は、水回収ユニット１１４からの水を受け取るようにも構成された飽和器１０８に受け取られる。典型的な実施形態によると、水は、燃料電池スタック１０２からのアノードおよび／またはカソード排気から、および／または外部水源（たとえば水道水）から、熱回収ユニット１１４へ供給され得る。他の典型的な実施形態によると、水は、以下で詳述するように、スタートアップ水精製器１３２によって供給され得る。
【００１４】
図１に示すように、水回収ユニット１１４は、ＤＣＣＴ１１６を含む。ＤＣＣＴ１１６は、アノード排気を受け取り、アノード排気内の水の少なくとも一部を凝縮するように構成される。典型的な実施形態によると、アノード排気は、ＤＣＣＴ１１６に受け取られる前に、第１の熱交換器１１５によって冷却され得る。図２に示すように、アノード排気は、アノード排気から精製水素へ熱を伝達し、加熱水素蒸気を生成する第２の熱交換器１１７によって冷却され得る。加熱水素蒸気はその後、ＡＧＯ１１８内に受け取られ、空気と混合（すなわち燃焼）され、カソード１０６へ供給され得る。図１を参照すると、アノード排気は、燃料スタック１０２のアノード側１０４からＤＣＣＴ１１６の一端へ搬送され、冷却再利用水は、水再利用経路１２３からＤＣＣＴ１１６の対向端へ搬送され、その結果、アノード排気および冷却再利用水は互いに反対方向へ流れる。ＤＣＣＴ１１６において、アノード排気は、再利用水と直接接触することによって冷却され、アノード排気内の水の少なくとも一部が凝縮される。アノード排気から凝縮された水は、ＤＣＣＴ１１６を通過すると同時に再利用水と混合される。アノード排気から凝縮された水と再利用水との混合物を備える高温凝縮水は、ＤＣＣＴ１１６の底部に集められる。
【００１５】
図１に示すように、ＤＣＣＴ１１６の底部に集められた凝縮水の第１の部分は、水再利用経路１２３へ搬送され、そこで、ＤＣＣＴ１１６において再利用水として使用するために熱交換器１２４（たとえば換気扇）を用いて冷却され、凝縮水の第２の部分は、水回収ユニット１１４から出力され、燃料を加湿するための飽和器１０８へ送られ（すなわち再利用され）得る。
【００１６】
カソード排気は、燃料電池スタック１０２のカソード側１０６から、加湿燃料を過熱するために、飽和器１０８から出力された加湿燃料（すなわち飽和ガス）へカソード排気からの熱を伝達するように構成された第１の排熱交換器１２０を通過する。加熱された加湿燃料はその後、燃料電池スタック１０２のアノード側１０４へ供給される。アノード側１０４へ入る燃料は、その内部で水素およびＣＯを生成するために改質され、カソード側１０６を通過する酸化剤ガスと電気化学反応を起こし、燃料電池システム１００が電力を生成すると水およびＣＯ２を生成する。アノード排気は、水素およびＣＯを含む未反応燃料、水蒸気およびＣＯ２を含む反応生成物、および少量の他の化合物またはガスを含む。
【００１７】
加湿燃料の加熱後、カソード排気は、カソード排気からの熱をＤＣＣＴ１１６からの水へ伝達するように構成された第２の排熱交換器１２２を通過する。その結果、第２の排熱交換器１２２は更に、ＤＣＣＴ１１６からの水を予熱し、結合水が飽和器１０８へ供給される前に飽和器１０８からの水を再利用する。典型的な実施形態によると、高温水は、カソード排気から熱を伝達する第２の排熱交換器１２２によって生成され、典型的な状況において、約２４０°Ｆの温度まで加熱され得る。
【００１８】
典型的な実施形態によると、水は、飽和器１０８の上部１０８ａ付近で飽和器１０８へ供給され、飽和器１０８を通って下方向へ流れ、燃料は、飽和器１０８の底部１０８ｂ付近に供給され、飽和器１０８を通って上方向へ流れる。飽和器１０８において、燃料は水と直接接触し、その結果、水の第１の部分は燃料内に蒸発し、燃料を水で飽和させ、加湿燃料が生じる。燃料内に蒸発しない、飽和器１０８内の水の第２の部分（すなわち残りの部分）は、飽和器１０８から出力され、ＤＣＣＴ１１６からの水と結合される。未蒸発水とＤＣＣＴ１１６からの水との結合物は、第２の排熱交換器１２２を通って送られ、飽和器１０８の上部１０８ａへ供給される。典型的な実施形態によると、飽和器１０８内の水が蒸発して加湿燃料が生成され飽和器１０８から出力されると、飽和器１０８内の水と入れ替わるように、水回収ユニット１１４から水が供給され得る。水回収ユニット１１４からの余剰水は、水ブローダウンストリーム１３０を通ってブローダウン水としてシステムから廃棄され得る。典型的な実施形態によると、燃料電池システム１００は、回収水におけるほぼ全てのＣＯ２を除去する（すなわち取り除く）ように構成される。このプロセスの結果、回収水のｐＨレベルの上昇が生じ、燃料電池システム１００から余剰水を処分するプロセスが単純化される（たとえば、回収水は、更なる処理をせずとも環境へ持ち出すのに適したｐＨレベルである）。
【００１９】
ここで図２および図３を参照すると、２段式飽和器２０８を有する燃料電池システム２００の模式図が示される。典型的な実施形態によると、２段式飽和器２０８は、加湿燃料が通過することが可能であるように構成された仕切り（すなわちトラップパン）２１１によって部分的に分離された、下側（すなわち第１）セクション２０９および上側（すなわち第２）セクション２１０を画定するベゼルを含む。典型的な実施形態によると、ＤＣＣＴ１１６の底部に集められた水のほぼ全てが、飽和器２０８へ搬送される。他の典型的な実施形態によると、そのような水の一部のみが使用され得る。
【００２０】
図２に示すように、水の第１の部分は、ＤＣＣＴ１１６から飽和器２０８の下側セクション２０９へ搬送される。水の第２の部分は、ＤＣＣＴ１１６から第２の排熱交換器１２２へ搬送され、カソード排気によって予熱される。水の第２の部分はその後、第２の熱交換器１２２から出力され、飽和器２１０の上側セクション２１０へ送られる。
【００２１】
典型的な実施形態によると、ＤＣＣＴ１１６から直接（すなわち、最初に第２の排熱交換器１２２を通過することなく）受け取られた水は、飽和器２０８の下側セクション２０９の上部２０９ａ付近で飽和器２０８へ供給され、下側セクション２０９を通って下方向へ流れ、燃料は、飽和器２０８の下側セクション２０９の底（すなわち下）部２０９ｂ付近に供給され、下側セクション２０９を通って上方向へ流れる。飽和器２０８の下側セクション２０９において、燃料は水と直接接触し、その結果、下側セクション２０９内の水の第１の部分は燃料内に蒸発し、燃料を水蒸気で飽和させ、一部加湿燃料が生じる。燃料内に蒸発しない、下側セクション２０９内の水の第２の部分（すなわち残りの部分）は、下側セクション２０９から出力され、水再利用経路２２３へ還元される。
【００２２】
図３に示すように、燃料は、下側セクション２０９において少なくとも部分的に加湿され、その後、燃料が通過することが可能である（が未蒸発水は通過することができない）ように構成された仕切り２１１の開口部２１１ａを通過する。たとえば開口部２１１ａは、直径および表面積を定める外周を有する、仕切り２１１における穴であってよい。他の典型的な実施形態によると、開口部２１１ａは、他の形状を画定してよい。下側セクション２０９内の未蒸発水は重力によって開口部２１１ａから下方へ落下するが、一部加湿燃料を形成する（たとえばガス状の）燃料および蒸気は、開口部２１１を通って上方へ移動する。一部加湿燃料は出口２１２ａから上側セクション２１０へ出力される。仕切り２１１は、開口部２１１ａの外周から概ね上方へ伸長する壁または複数の壁２１１ｂを画定する。蓋２１２は開口部２１１ａの上に配置され、それらの間に出口または複数の出口２１２ａを画定する。たとえば出口２１２ａは、蓋２１２と壁２１１ｂの上端との間に画定され得る。典型的な実施形態によると、蓋２１２は、開口部２１１ａの外周を越えて伸長し（すなわち、より大きな直径および／または表面積を有し）、上側セクション２１０内の水が開口部２１１ａを通過することを防ぐように構成される。他の典型的な実施形態によると、出口２１２ａは仕切り２１１より上に配置され、蓋２１２は、水が上側セクション２１０内で下方へ流れて出口２１２ａを通過することを防ぐように構成される。たとえば、水は、出口２１２ａに入り、開口部２１１ａを通って下側セクション２０９へ流れ込む前に、壁２１１ｂの高さまで仕切り２１１の上部に溜まってよい。他の典型的な実施形態によると、仕切り２１１は、複数の開口部２１１ａを含み、その各々が、上述した開口部２１１ａと同じように構成される。他の典型的な実施形態によると、下側セクション２０９および上側セクション２１０は、個別の（すなわち、それぞれ第１および第２の）ベゼルに配置され得る。この構成において、一部加湿燃料は、下側セクション２０９の上部２０９ａから出力され、第１および第２のベゼルの間で上側セクション２１０の底部２１０ｂへ送られる。
【００２３】
図２および図３を再び参照すると、（最初に飽和器２０８を通過することなく）第２の排熱交換器１２２を通って供給されるＤＣＣＴ１１６からの水の第２の部分は、飽和器２０８の上側セクション２１０の頂（すなわち上）部２１０ａ付近で飽和器２０８へ供給され、上側セクション２１０を通って下方向へ流れ、下側セクション２０９からの加湿燃料は、仕切り２１１を通過した後、飽和器２０８の上側セクション２１０の底（すなわち下）部２１０ｂ付近に供給され、上側セクション２１０を通って上方向へ流れる。飽和器の上側セクション２１０の頂部２１０ａにおいて受け取られた水は、飽和器２０８の下側セクション２０９の頂部１０９ａにおいて受け取られた水よりも高温であってよい。典型的な実施形態によると、ＤＣＣＴ１１６からの水の第２の部分は、飽和器２０８の上側セクション２１０へ直接供給され得る。飽和器２０８の上側セクション２１０において、加湿燃料は、第２の排熱交換器１２２からの水と直接接触し、その結果、上側セクション２１０内の水の少なくとも一部は燃料内に蒸発し、燃料を水蒸気で更に飽和させ、更に加湿された燃料が生じる。加湿燃料内に蒸発しない、上側セクション２１０内の残りの未蒸発水は全て、上側セクション２１０から出力され、ＤＣＣＴ１１６からの高温水と結合され得る。結合された、未蒸発水およびＤＣＣＴ１１６から直接到来した水の少なくとも一部は、第２の排熱交換器１２２を通って送り戻され、飽和器２０８の上側セクション２０９の頂（すなわち上）部２０９ａへ供給される。第２の排熱交換器１２２を通って送られない水は全て、以下で詳述するように、ブローダウンストリーム２３０を通って燃料電池システム２００から除去され得る。
【００２４】
ＤＣＣＴ１１６からの水が第２の排熱交換器１２２を通過する前に、飽和器２０８の下側セクション２０９内の燃料を予飽和（すなわち予加湿）することによって、飽和器２０８の上側セクション２１０内の一部加湿燃料は、更なる（すなわち十分な）加湿のために少ない水しか必要としない。これは具体的には、第２の排熱交換器１２２を通過する水が、燃料を更に（たとえば十分に）加湿するために十分な量の蒸発水を供給するために、カソード排気から水へ伝達する熱を少なくしか必要としないことを意味する。したがって、カソード排気によって生成された熱は、燃料電池システム２００内部または外部の他の場所へ再配分され得る。
【００２５】
典型的な実施形態によると、上側セクション２１０における未蒸発水は全て、仕切り２１１より上かつ出口２１２ａより下の位置において飽和器２０８の上側セクション２１０から出力される。したがって、仕切り２１１は、飽和器２０８の上側セクション２１０から下側セクション２０９への未蒸発水の逆流を防ぐように構成される。他の典型的な実施形態によると、飽和器２０８内の水が蒸発して加湿燃料が生成され飽和器２０８から出力されると、これと入れ替わるために、水回収ユニット１１４から水が供給され得る。
【００２６】
典型的な実施形態によると、上側セクション２０９から出力された余剰の未蒸発水が指定量を超えると、余剰水は、ブローダウンストリーム２３０を通って出力され、燃料電池システム２００から除去され得る。未蒸発水は、飽和器２０８から循環ポンプ２２８へ受け渡され、循環ポンプ２２８は、水を第２の排熱交換器１２２へ再利用する。図２に示すように、第２の排熱交換器１２２へ受け渡される前に、水の第２の部分は、水中に溶解した任意の不揮発性汚染物質または溶解固形物の堆積を防ぐために、水ブローダウン技術を用いて処理され得る。典型的な実施形態によると、水ブローダウンストリーム２３０によって除去される水の量は、加湿のために必要な量を上回る、ＤＣＣＴ１１６内に凝縮した余剰水に対応する。典型的な実施形態によると、水ブローダウンストリーム２３０内の余剰水は、燃料電池スタック１０２において生成され水回収システム２１４において凝縮された水が燃料電池システム２００内の燃料を加湿するのに足りない場合に、燃料電池システム２００のスタートアップ時に使用するために、（たとえばタンク内に）貯蔵され、または（たとえば排水管を通って）現地外へ送られてよい。他の典型的な実施形態によると、外部水源（たとえば水道）からの補給水が、加湿のために十分な量の水の少なくとも一部を供給するためにスタートアップ時に使用され得る。
【００２７】
加湿燃料が燃料電池スタック１０２のアノード１０４へ注入されるためには、約１．９の蒸気対炭素比が望ましい。典型的な実施形態によると、２００万〜２２０万ＢＴＵの熱、一般的には２０５万〜２１０万ＢＴＵが、１．９の比を実現するために必要である。１段式飽和器１０８を有する燃料電池システム１００において、必要な熱の大部分または全部は、第２の排熱交換器１２２を通ってカソード排気から到来しなくてはならない。２段式飽和器２０８を有する燃料電池システム２００において、ＤＣＣＴ１１６からの水は、約８０万ＢＴＵの熱を飽和器２０８の下側セクション２０９へ供給し、飽和器２０８の上側セクション２１０に注入される一部加湿燃料に関して約０．８の蒸気対炭素比がもたらされる。したがって、飽和プロセスを完了して１．９の比を実現するために、一部加湿燃料は、カソード排気から上側セクション２１０へ伝達される熱を少なくしか必要としない。典型的な実施形態によると、カソード排気から供給される熱は、１段式飽和器１０８を有する燃料電池システム１００に対して４５％以上低減され得る。
【００２８】
また図１において、ＤＣＣＴ１１６から出力された水は、アノード排気からの高い熱レベルを有する。水が水再利用経路１２３を通過すると、熱交換器１２４は、水がＤＣＣＴ１１６へ再注入される前に水から十分な量の熱を取り除ける程度に大きくなくてはならない。ここで図２を参照すると、熱交換器２２４は、熱交換器１２４と同様に動作する。ただし、ＤＣＣＴ１１６から出力された水は、水再利用経路２２３を通過し熱交換器２２４に至る前に、２段式飽和器２０８の下側セクション２０９を通過する。下側セクション２０９における予飽和プロセスは、水から燃料へ熱を伝達し、それによって飽和器２０８から水再利用経路２２３へ還元する水は、約８０万ＢＴＵの熱が除去された後、より低温になる。１段式飽和器１０８よりも２段式飽和器２０８によってより多くの熱が水から除去されるので、再利用水をＤＣＣＴ１１６へ供給する前に熱交換器２２４によって除去される熱は少なくてよい。したがって、熱交換器２２４（たとえば換気扇）のサイズおよび／または容量は、図２に示す実施形態において低減され、燃料電池システム２００の運転および製造コストが更に低減され得る。
【００２９】
図１および図２に示すように、水回収ユニット１１４は、スタートアップ水精製器１３２、２３２、および排熱回収熱交換器１３４を更に含んでよい。燃料を加湿するための水は、最初に水回収ユニット１１４、２１４において燃料電池システム１００、２００へ注入され得る。スタートアップ水精製器１３２、２３２は、従来の水道水源または他の任意の水源から水を受け取り、そこから汚染物質および固形物質を除去するように構成され得る。典型的な実施形態によると、図１に示すように、スタートアップ水は、最初に水再利用経路１２３を通過することなく水を部分的に飽和器１０８へ直接供給するために、ＤＣＣＴ１１６の下流かつＤＣＣＴ水循環ポンプ１１９の上流で水回収ユニット１１４へ注入されてよく、よって補給水は、ＤＣＣＴ水循環ポンプ１１９の出口において必要な圧力よりも低い圧力で注入され得る。図２に示すように、補給水は、飽和器２０８へ注入される前に、水再利用経路２２３を通過し熱交換器１２４およびＤＣＣＴ１１６の各々を通るように、熱交換器１２４およびＤＣＣＴ１１６の上流で水回収ユニット２１４へ注入され得る。他の典型的な実施形態によると、スタートアップ水は、他の位置において水回収ユニット１１４、２１４へ注入され得る。スタートアップ水は、燃料電池システム１００、２００の運転を開始する短い期間に注入され、その後停止され得る。他の典型的な実施形態によると、スタートアップ水は、燃料電池システム１００、２００において使用可能な水量を増加させるため、あるいはブローダウンストリーム１３０、２３０においてシステムから除去された水と入れ替わるために、燃料電池システム１００、２００が運転した後に水回収ユニット１１４、２１４へ注入され得る。また図１および図２を参照すると、水回収ユニット１１４は、排熱回収交換器１３４を更に含んでよい。排熱回収交換器１３４は、水再利用経路１２３、２２３に沿った任意の場所に配置されてよく、水再利用経路１２３、２２３内の水から余剰熱を燃料電池システム１００、２００内または外部の他の場所へ伝達するように構成され得る。他の典型的な実施形態によると、スタートアップ水は、燃料電池システム１００、２００の通常運転中に（たとえば電力が生成される時に）生成されたブローダウン水によって充填された水タンクを水源としてよい。タンクへの水のブローダウンによって、少量のブローダウン水が、燃料電池システム１００、２００から（たとえば下水道または他の場所へ）排出される前に冷却されることが可能である。典型的な実施形態によると、ブローダウン水は、燃料電池スタック１０２からのほんのわずかの電解質を伴うがほぼ純水であってよい。
【００３０】
本明細書において用いられる場合、「概ね」、「約」、「実質的に」、および同様の用語は、本開示の主題事項が関与する技術の当業者によって一般的に認められた用法と一致する幅広い意味を有することが意図される。本開示を閲読する当業者が理解すべき点として、これらの用語は、説明され特許請求される特定の特徴の範囲を記載された数的範囲そのものに限定することなく、これらの特徴を説明することを可能とすることが意図される。したがってこれらの用語は、説明され特許請求される主題事項の非実質的または取るに足りない修正または変更が、添付のクレームに記載されたような本開示の範囲に収まるとみなされることを示すものとして解釈すべきである。
【００３１】
留意すべき点として、「典型的」という用語は、様々な実施形態を説明するために本明細書において用いられる場合、そのような実施形態が、可能な実施形態の可能な例、代表例、および／または実例であることを示すものとして意図される（かつそのような用語は、そのような実施形態が必ずしも並外れた、または最上の例であることを暗示するものとしては意図されない）。
【００３２】
「結合される」、「連結される」などの用語は、本明細書において用いられる場合、２つの部材を互いに直接または間接的に接合することを意図する。そのような接合は、固定（たとえば永続的）または可動（たとえば取外し可能または解除可能）であってよい。そのような接合は、２つの部材または２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに１つの単体として一体的に形成されること、あるいは、２つの部材または２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに取り付けられることによって実現され得る。
【００３３】
本明細書において、要素の位置への言及（たとえば「頂部」、「底部」、「上」、「下」など）は、図面における様々な要素の配向を説明するために用いられるにすぎない。留意すべき点として、様々な要素の配向は、他の典型的な実施形態に従って異なってよく、そのような変化は、本開示に包含されることが意図される。
【００３４】
本発明は好適な実施形態に関して説明されたが、当業者は他の様々な実施形態および変形例を想起することができ、それらは本発明の範囲および主旨に収まるものであり、そのような他の実施形態および変形例は、対応するクレームによってカバーされることが意図されることを理解すべきである。当業者が容易に認識するように、本明細書で説明された主題事項の新規教示および利点から実質的に逸脱することなく、多数の修正（たとえば、様々な要素のサイズ、構造、形状、および特性、パラメータの値、取付け構成、材料の使用、配向、プロセスなどにおける変化）が可能である。たとえば、任意のプロセスまたは方法のステップの順序またはシーケンスは、別の実施形態に従って変化してよく、または並べ替えられてよい。本開示の範囲から逸脱することなく、様々な典型的実施形態の設計、動作条件、および構成において他の代替、修正、変更、および省略がなされてもよい。
【図１】
2019526902.tif 000003
【図２】
2019526902.tif 000004
【図３】
2019526902.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月2日(2018.1.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記アノードからの排気から水を再利用するように構成された水回収ユニットと、
前記カソードからの排気と、前記水回収システムからの水との間で熱を伝達するように構成された熱交換器と、
燃料源と、
飽和器とを
備え、前記飽和器は、
前記燃料源から燃料を受け取るように構成された下部および前記水回収ユニットから水を受け取るように構成された上部を画定する下側セクションと、
前記熱交換器から水を受け取るように構成された上部および前記下側セクションから燃料を受け取るように構成された下部を画定する上側セクションと、
燃料および蒸気が前記下側セクションから前記上側セクションへ通過することが可能であるように構成された開口部を画定する、前記上側セクションと前記下側セクションとを分離する仕切りと
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記仕切りは、
前記開口部から上方へ伸長する少なくとも１つの壁と、
前記開口部の上に配置された蓋と、
前記蓋と前記少なくとも１つの壁との間に画定された出口と
を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記上側セクションは、前記上側セクションの前記下部から未蒸発水を出力するように構成され、
前記熱交換器は、前記上側セクションおよび前記水回収ユニットの少なくとも１つから水を受け取るように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記下側セクションは、前記燃料源からの前記燃料を少なくとも部分的に加湿するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記仕切りは、
前記開口部から上方へ伸長する少なくとも１つの壁と、
前記開口部の上に配置された蓋と、
前記蓋と前記少なくとも１つの壁との間に画定された出口と
を更に備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水回収システムは、前記アノードからの前記排気から水を凝縮し分離するように構成された直接接触冷却塔を更に備え、
前記直接接触冷却塔内の前記水のほぼ全てが、前記飽和器へ出力される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水回収システムは、前記下側セクションから未蒸発水を受け取るように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱交換器は、前記カソードからの前記排気と、前記上側セクションから出力された未蒸発水との間で熱を伝達するように構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の飽和器において燃料電池システム用の燃料を飽和させる方法であって、
水回収ユニットから水の第１および第２の部分を提供することと、
前記飽和器の前記下側セクションにおいて、燃料および前記水の第１の部分を受け取ることと、
前記下側セクションから、一部加湿燃料を出力することと、
前記熱交換器において、前記水の第２の部分を加熱することと、
前記飽和器の前記上側セクションにおいて、前記水の第２の部分および前記一部加湿燃料を受け取ることと、
前記上側セクションから、更に加湿された燃料を出力することと
を備える方法。
【請求項１０】
前記下側セクションの前記下部において受け取られた前記燃料は、前記水の第１の部分によって加湿され、前記一部加湿燃料が生成される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１１】
前記上側セクションから未蒸発水を出力することと、
前記熱交換器において前記未蒸発水を加熱することと
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
ブローダウンストリームによって、前記上側セクションからの前記未蒸発水の少なくとも一部を除去することを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１３】
前記下側セクションから未蒸発水を出力することと、
前記水回収ユニットにおいて前記未蒸発水を受け取ることと
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記水回収ユニット内の前記水のほぼ全てが、前記飽和器において受け取られる、請求項１０に記載の方法。
【国際調査報告】
2019526902.tif 000006
2019526902.tif 000007